物理选择性必修 第二册第1节 安培力及其应用课文课件ppt

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第1节　安培力及其应用[核心素养·明目标]核心素养学习目标物理观念知道安培力的定义及安培力大小的决定因素。科学思维知道左手定则并会用它判定安培力的方向，会用F＝IlB计算B与I垂直情况下的安培力。科学探究会用实验探究安培力的方向，能分析相关物理现象。科学态度与责任知道电流计的基本构造及其测电流大小和方向的基本原理。知识点一　安培力1．定义：物理学中，将磁场对通电导线的作用力称为安培力。2．方向：用左手定则判断。判断方法：伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，且都与手掌处于同一平面内，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电流的方向，此时拇指所指的方向即为安培力的方向。3．大小(1)F＝ (2)在非匀强磁场中公式可用于很短的一段通电直导线。　公式F＝IlB适用于匀强电场。1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)安培力的方向可能与磁场方向垂直，也可能不垂直。 (×)(2)通电导线在磁场中一定会受到安培力的作用。 (×)(3)安培力的方向与导线方向一定垂直。 (√)知识点二　安培力的应用1．安培力在生活中应用：电动机、电流计等都是安培力的应用。2．电流计工作原理(1)构造：如图所示，圆柱形铁芯固定于U形磁铁两极间，铁芯外面套有缠绕着线圈并可转动的铝框，铝框的转轴上装有指针和游丝。(2)原理：当被测电流通入线圈时，线圈受安培力作用而转动，使游丝扭转形变，从而对线圈的转动产生阻碍。当安培力产生的转动与游丝形变产生的阻碍达到平衡时，指针停留在某一刻度。电流越大，安培力就越大，指针偏转角度就越大。　电流计的刻度线是均匀分布的吗？提示：是均匀分布的。2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)用磁电式电流表测量电流时，通过线圈的四条边都受到安培力的作用。(×)3：填空当电流恒定时，线圈受到的安培力大小不变，方向变化，达到平衡时，指针所指的刻度，就是流过线圈电流的大小。 考点1　安培力的方向用两根细铜丝把一根直导线悬挂起来，放入蹄形磁铁形成的磁场中。当导线中通以电流时，你能看到通电导线在磁场中朝一个方向摆动，这个实验现象说明了什么？改变电池的正负极接线柱或将磁铁的N极、S极交换位置，闭合开关，你能看到通电导线的摆动方向发生改变，这个实验现象说明了什么？提示：说明磁场对通电导线有力的作用；磁场中导线所受安培力的方向与磁场方向和电流方向都有关。1．安培力的方向不管电流方向与磁场方向是否垂直，安培力的方向总是垂直于磁场方向和电流方向所决定的平面，即总有F⊥I和F⊥B。(1)已知I、B的方向，可用左手定则唯一确定F的方向。(2)已知F、B的方向，当导线的位置确定时，可唯一确定I的方向。(3)已知F、I的方向，B的方向不能唯一确定。2．安培定则(右手螺旋定则)与左手定则的区别 安培定则(右手螺旋定则)左手定则用途判断电流的磁场方向判断电流在磁场中的受力方向适用对象直线电流环形电流或通电螺线管电流在磁场中应用方法拇指指向电流的方向四指弯曲的方向表示电流的环绕方向磁感线穿过手掌心，四指指向电流的方向结果四指弯曲的方向表示磁感线的方向拇指指向轴线上磁感线的方向拇指指向电流受到的磁场力的方向【典例1】　画出图中通电直导线A受到的安培力的方向。(1)　　　(2)　　　　(3)　　　　(4)[解析]　(1)中电流与磁场垂直，由左手定则可判断出A所受安培力方向如图甲所示。(2)中条形磁铁在A处的磁场分布如图乙所示，由左手定则可判断A受到的安培力的方向如图乙所示。(3)中由安培定则可判断出导线A处磁场方向如图丙所示，由左手定则可判断出A受到的安培力方向如图丙所示。(4)中由安培定则可判断出导线A处磁场如图丁所示，由左手定则可判断出A受到的安培力方向如图丁所示。[答案]　(1)　　　(2)　　　　(3)　　　　(4)判断安培力方向常见的两类问题[跟进训练]1．请画出如图所示的甲、乙、丙三种情况下，导线受到的安培力的方向。[解析]　画出甲、乙、丙三种情况的侧面图，利用左手定则判定出在甲、乙、丙三种情况下，导线所受安培力的方向如图所示。[答案]　见解析 考点2　安培力的大小(1)用两根细铜丝把一根直导线悬挂起来，放入蹄形磁铁形成的磁场中。把一节电池换成三节，其他条件不变，观察更换电池后通电导线摆动的幅度变大，说明什么？把蹄形磁铁更换成磁性更强的磁铁，其他条件不变，比较得出，更换磁铁后导线摆动的幅度变大，又说明什么？(2)如图所示，当电流与磁场方向夹θ角时，安培力的大小怎样表示？提示：(1)当其他因素不变时，电流增大，安培力增大；当其他因素不变时，磁感应强度变大，安培力增大。(2)如图所示，可以把磁感应强度矢量分解为两个分量：与电流方向垂直的分量B1＝Bsin θ，与电流方向平行的分量B2＝Bcos θ，平行于导线的分量B2对通电导线没有作用力，通电导线所受的作用力F仅由B1决定，即F ＝ IlB1，故F＝IlBsin θ (θ为B与I的夹角)。1．对安培力F＝IlBsin θ的理解(1)B对放入的通电导线来说是外磁场的磁感应强度，不必考虑导线自身产生的磁感应强度的影响。(2)l是有效长度，匀强磁场中弯曲导线的有效长度l，等于连接两端点直线的长度(如图)；相应的电流沿l由始端流向末端。2．F＝IlBsin θ的适用条件导线所处的磁场应为匀强磁场；在非匀强磁场中，公式仅适用于很短的通电导线。3．电流在磁场中的受力特点电荷在电场中一定会受到电场力作用，但是电流在磁场中不一定受安培力作用。当电流方向与磁场方向平行时，电流不受安培力作用。4．当电流同时受到几个安培力时，则电流所受的安培力为这几个安培力的矢量和。【典例2】　如图所示，在匀强磁场中放有下列各种形状的通电导线，电流均为I，磁感应强度均为B，求各导线所受到的安培力的大小。(1)　　　(2)　　　(3)　　　(4)　　　(5)[解析]　(1)图中，F＝IlBcos α，这时不能死记公式而错写成F＝IlBsin α。要理解公式本质是有效长度或有效磁场，正确分解。(2)图中，B⊥I，导线再怎么放，也在纸平面内，故F＝IlB。(3)图是两段导线组成的折线abc，整体受力实质上是两部分直导线分别受力的矢量和，其有效长度为ac，故F＝IlB。(4)图中，从a→b的半圆形电流，分析圆弧上对称的每一小段电流，受力抵消合并后，其有效长度为ab，故F＝2IRB。(5)图中，F＝0。[答案]　(1)IlBcos α　(2)IlB　(3)IlB　(4)2IRB　(5)0应用安培力公式F＝BIlsin θ解题的技巧(1)公式F＝IlBsin θ中θ是B和I方向的夹角，不能盲目应用题目中所给的夹角，要根据具体情况进行分析。(2)公式F＝IBlsin θ中的lsin θ也可以理解为垂直于磁场方向的“有效长度”。[跟进训练]2．长度为l、通有电流为I的直导线放入一匀强磁场中，电流方向与磁场方向如图所示，已知磁感应强度为B，对于下列各图中，导线所受安培力的方向如何？大小是多大？A　　　　　　　　　BC　　　　　　　　　D[解析]　A图中，由左手定则可判断出导线所受力的方向为垂直纸面向外，因导线不和磁场垂直，故将导线投影到垂直磁场方向上，导线所受力大小为F＝BIlcos θ；B图中，由左手定则可判断出导线所受力的方向为垂直导线斜向左上方，因导线和磁场方向垂直，导线所受力大小为F＝BIl；C图中，由左手定则可判断出导线所受力的方向为垂直导线斜向左上方，因导线和磁场方向垂直，故导线所受力大小为F＝BIl；D图中，由左手定则可判断出导线所受力的方向为水平向右，导线所受力大小为F＝BIl。[答案]　垂直纸面向外，BIlcos θ；垂直导线斜向左上方，BIl；垂直导线斜向左上方，BIl；水平向右，BIl 考点3　安培力作用下导体的运动问题如图所示，在玻璃皿的中心放一个圆柱形电极，沿边缘内壁放一个圆环形电极，将两电极接在电池的两极上，然后在玻璃皿中放入盐水，把玻璃皿放入蹄形磁铁的磁场中，N极在下，S极在上，通电后盐水就会旋转起来。通电后的盐水为什么会旋转起来？提示：接通电源后，盐水中有指向圆心的电流，根据左手定则，半径方向上的电流将受到安培力使得盐水逆时针(自上向下看去)转动。分析导体在磁场中运动的常用方法电流元法把整段导线分为多段电流元，先用左手定则判断每段电流元所受安培力的方向，然后判断整段导线所受安培力的方向，从而确定导线运动方向等效法环形电流可等效成小磁针，通电螺线管可以等效成条形磁铁或多个环形电流(反过来等效也成立)，然后根据磁体间或电流间的作用规律判断特殊位置法通过转动通电导线到某个便于分析的特殊位置，判断其所受安培力的方向，从而确定其运动方向结论法两平行直线电流在相互作用过程中，无转动趋势，同向电流互相吸引，反向电流互相排斥；不平行的两直线电流相互作用时，有转到平行且电流方向相同的趋势转换研究对象法定性分析磁体在电流磁场作用下如何运动的问题，可先分析电流在磁体磁场中所受的安培力，然后由牛顿第三定律，确定磁体所受电流磁场的反作用力，从而确定磁体所受合力及其运动方向【典例3】　一个可以自由运动的线圈L1和一个固定的线圈L2互相绝缘垂直放置，且两个线圈的圆心重合。当两线圈通以如图所示的电流时，从左向右看，则线圈L1将(　　)A．不动B．顺时针转动C．逆时针转动D．向纸面内平动B　[方法一：直线电流元分析法把线圈L1沿转动轴分成上下两部分，每一部分又可以看成无数直流电流元，电流元处在L2产生的磁场中，据安培定则可知各电流元所在处磁场向上。由左手定则可得，上部电流元所受安培力均指向纸外，下部电流元所受安培力均指向纸内，因此从左向右看线圈L1顺时针转动。方法二：等效分析法把线圈L1等效为小磁针，该小磁针刚好处于环形电流I2的中心，通电后，小磁针的N极应指向该点环形电流I2的磁场方向，由安培定则知L2产生的磁场方向在其中心竖直向上，而L1等效成小磁针后，在转动之前，N极指向纸内，因此应由向纸内转为向上，所以从左向右看，线圈L1顺时针转动。方法三：利用结论法环形电流I1、I2之间不平行，则必有相对转动，直到两环形电流同向平行为止，据此可得从左向右看，线圈L1顺时针转动。]判断导体在磁场中运动情况的常规思路不管是电流还是磁体，对通电导体的作用都是通过磁场来实现的，因此，此类问题可按下面步骤进行分析：(1)确定导体所在位置的磁场分布情况。(2)结合左手定则判断导体所受安培力的方向。(3)由导体的受力情况判定导体的运动状态。[跟进训练]3．如图所示，把一重力不计的通电直导线水平放在蹄形磁铁磁极的正上方，导线可以自由转动，当导线通入图示方向电流I时，导线的运动情况是(从上往下看)(　　)A．顺时针方向转动，同时下降B．顺时针方向转动，同时上升C．逆时针方向转动，同时下降D．逆时针方向转动，同时上升A　[(1)电流元法：把直线电流等效为AO、OB两段电流，由左手定则可以判断出AO段受力方向垂直纸面向外，OB段受力方向垂直纸面向内，因此，从上向下看AB将以中心O为轴顺时针转动。(2)特殊位置法：用导线转过90°的特殊位置来分析，根据左手定则判得安培力的方向向下，故导线在顺时针转动的同时向下运动。]1．(多选)关于磁电式电流表内的磁铁和铁芯之间的均匀辐向分布的磁场，下列说法正确的是(　　)A．该磁场的磁感应强度大小处处相等，方向相同B．该磁场的磁感应强度的方向处处相同，大小不等C．使线圈平面始终与磁感线平行D．该磁场中距轴线等距离处的磁感应强度大小都相等CD　[磁电式电流表内的磁铁和铁芯之间均匀辐向分布的磁场，使线圈平面始终与磁感线平行，C正确；该磁场中距轴线等距离处的磁感应强度大小处处相等，但方向不同，A、B错误，D正确。]2．一根容易形变的弹性导线，两端固定。导线中通有电流，方向如图中箭头所示。当没有磁场时，导线呈直线状态；当分别加上方向竖直向上、水平向右或垂直于纸面向外的匀强磁场时，描述导线状态的四个图示中正确的是(　　)A　　　　B　　　　C　　　　　DD　[匀强磁场竖直向上与导线平行，导线受到的安培力为零，A错误；匀强磁场水平向右，根据左手定则可知导线受到安培力垂直纸面向里，B错误；匀强磁场垂直纸面向外，由左手定则可知导线受到安培力水平向右，C错误，D正确。]3．如图所示，两个完全相同的线圈套在一水平光滑绝缘圆柱上，但能自由移动，若两线圈内通以大小不等的同向电流，则它们的运动情况是(　　)A．都绕圆柱转动B．以不等的加速度相向运动C．以相等的加速度相向运动D．以相等的加速度相背运动C　[同向环形电流间相互吸引，虽然两电流大小不等，但根据牛顿第三定律知两线圈间相互作用力大小相等，所以选C项。]4．(新情境题，以“电磁弹射器”为背景，考查安培力)我国建造中的国产003型航母将采用电磁弹射技术，电磁弹射轨道可简化为图乙所示放在水平面上的平行金属导轨，导轨间充满匀强磁场，电流通过电磁弹射车MN时在安培力作用下推动舰载机加速运动。甲　　　　　　　　　乙问题：(1)请判断图中弹射器工作时磁场的方向；(2)若已知导轨间宽为L＝2 m，电流是I＝1×103A，匀强磁场B＝1×102T，设飞机总质量m＝2×104kg，起飞速度为v＝60 m/s，g取10 m/s2，不计摩擦及空气阻力，求：飞机从静止加速到60 m/s，飞行轨道至少要多长？[解析]　(1)由图可知，电流由N流向M，根据左手定则可知匀强磁场方向竖直向上。(2)牵引杆受到的安培力F＝BIL＝2×105N由F＝ma可知a＝10 m/s2根据速度－位移公式可知v2＝2ax，解得x＝180 m。[答案]　(1)竖直向上　(2)180 m回归本节知识，自我完成以下问题：1．安培力大小的公式是什么？适用条件又是什么？提示：F＝IlB；适用于通电导线与磁场方向垂直，匀强磁场或非匀强磁场中很短的导体。2．安培力的方向用什么定则来判断？提示：左手定则。3．试写出左手定则的内容？提示：伸开左手，拇指与其余四指垂直，且都与手掌处于同一平面内，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电流的方向，此时拇指所指的方向即为安培力的方向。